Distribution and dynamics of aggregates in the coma of 67P/Churyumov-Gerasimenko
The Rosetta mission was the first spacecraft to ever enter in orbit around a comet, escorting comet 67P/Churyumov-Gerasimenko for over two years. A key objective of the mission was to investigate cometary activity, which involves the sublimation of volatile material that lifts dust from the comet surface, creating its characteristic coma and tail.
In some images obtained by the Optical, Spectroscopic, and Infrared Remote Imaging System (OSIRIS), the primary imaging instrument on board Rosetta, individual large particles can be seen as long, luminous tracks generated by their movement within the camera field of view. However, since the available data only present their motion as projected onto the image, the precise distance between the camera and these particles remains unknown. Attaining the dynamical information about the particles relies on determining this distance through alternative methods.
This thesis introduces an innovative method to address this issue. The approach involves comparing observed tracks with synthetic counterparts, generated by simulating particle trajectories relative to the spacecraft.
To implement this method, an algorithm capable of detecting tracks in OSIRIS images was developed. Using this method, more than 34000 tracks were detected across 189 images. In parallel, dynamic simulations of particle behavior within the coma were conducted. Two distinct dynamical models were developed. The initial model, a simplified version, served as a test of the method, yielding preliminary estimates of essential particle properties. The results suggested that particles fall within the decimeter range, with densities similar to that of the nucleus and initial velocities on the order of 1 m/s.
After this, a second, more realistic dynamical model was introduced. Despite producing smaller particle sizes compared to the previous model, the results align closely in terms of other parameters, indicating an average size of approximately 5 cm, a particle density similar to that of the nucleus, and the same need for an initial velocity. Moreover, this method facilitated the identification of source regions for the particles, revealing that regions marked by terrain heterogeneity were associated with higher ejection efficiency, while homogeneous terrains exhibited diminished ejection efficiency.
Die Rosetta-Mission war die erste Raumsonde, die jemals in eine Umlaufbahn um einen Kometen eintrat, und begleitete den Kometen 67P mehr als zwei Jahre lang. Eines der Hauptziele der Mission war die Untersuchung der Kometenaktivität, d. h. der Sublimation von flüchtigem Material, das Staub von der Kometenoberfläche ablöst und die charakteristische Koma und den Schweif des Kometen bildet.
Auf einigen Bildern, die vom OSIRIS, dem Hauptabbildungsinstrument an Bord von Rosetta, aufgenommen wurden, sind einzelne große Partikel als lange, helle Spuren zu sehen, die durch ihre Bewegung im Sichtfeld der Kamera entstehen. Da die verfügbaren Daten ihre Bewegung jedoch nur projiziert auf das Bild zeigen, ist der genaue Abstand zwischen der Kamera und den Partikeln unbekannt. Dieser Abstand muss mit verschiedenen Methoden bestimmt werden, um die dynamischen Eigenschaften der Teilchen zu ermitteln.
Diese Arbeit stellt eine innovative Methode zur Bewältigung dieses Problems vor. Der Ansatz besteht darin, beobachtete Spuren mit synthetischen Gegenstücken zu vergleichen, die durch die Simulation von Partikelbahnen relativ zum Raumfahrzeug erzeugt werden.
Um diese Methode umzusetzen, wurde ein Algorithmus entwickelt, der in der Lage ist, Spuren in OSIRIS-Bildern zu erkennen. Mit dieser Methode wurden mehr als 34.000 Spuren in 189 Bildern erkannt. Parallel dazu wurden dynamische Simulationen des Partikelverhaltens innerhalb der Koma durchgeführt. Zwei unterschiedliche dynamische Modelle wurden entwickelt. Das erste Modell, eine vereinfachte Version, diente als Test für die Methode und lieferte vorläufige Schätzungen wesentlicher Partikeleigenschaften. Die Ergebnisse legten nahe, dass die Partikel im Dezimeterbereich liegen, Dichten ähnlich der des Kerns aufweisen und Anfangsgeschwindigkeiten von etwa 1 m/s haben.
Anschließend wurde ein zweites, realistischeres Modell eingeführt. Trotz kleinerer Partikelgrößen im Vergleich zum vorherigen Modell stimmten die Ergebnisse in Bezug auf andere Parameter eng überein. Dieses Modell deutete auf eine durchschnittliche Größe von etwa 5 cm, eine Partikeldichte ähnlich der des Kerns und die gleiche Notwendigkeit einer Anfangsgeschwindigkeit hin. Darüber hinaus erleichterte diese Methode die Identifizierung von Quellregionen für die Partikel und enthüllte, dass Regionen mit Geländevariabilität mit einer höheren Ausstoßeffizienz verbunden waren, während homogene Gelände eine verminderte Ausstoßeffizienz aufwiesen.
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